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Qu'est-ce que la température ?
L'énergie thermique d'une substance est proportionnelle à l'énergie cinétique (moyenne) des molécules ou des atomes qui la composent. Dans un système composé de deux objets, l'objet le plus chaud a une température plus élevée et une énergie cinétique moyenne plus importante. L'énergie thermique circule de l'objet le plus chaud vers l'objet le plus froid jusqu'à ce que les deux objets atteignent la même température. Ce phénomène est formalisé dans la loi zéro de la thermodynamique.
La loi zéro de la thermodynamique
Bien que la loi zéro de la thermodynamique n'ait été que la quatrième loi proposée, elle a été jugée si fondamentale pour la physique thermique qu'elle vient désormais en premier.
La loi duzéro stipule ce qui suit :
Si deux objets A et C sont indépendamment en équilibre thermique avec un troisième objet B, alors A et C sont également en équilibre l'un avec l'autre. Cela montre également que les trois objets sont à la même température.
Cette loi (apparemment évidente) définit la température comme une propriété qui décrit la direction de tout transfert d'énergie thermique entre des objets. La loi du zéro est importante car elle montre que le transfert d'énergie thermique est contrôlé par les températures physiques plutôt que par l'énergie thermique (cinétique) totale d'un objet.
Échelles de température
Après avoir défini ce qu'est la température, nous avons maintenant besoin d'un moyen de la mesurer. Pour comparer les températures de différents objets, il faut une échelle. Une échelle de température est définie par deux points fixes à des températures spécifiques, avec un certain nombre d'incréments entre eux.
Il existe actuellement trois échelles de température principales utilisées dans le monde :
Celsius
- Cette échelle de température, proposée par l'astronome suédois Anders Celsius en 1742, est utilisée par la plupart des pays du monde.
- Les points fixes utilisés par l'échelle Celsius sont le point de congélation (0°C) et le point d'ébullition de l'eau (100°C à la pression atmosphérique 1,01⋅105 Pa), avec 100 incréments de 1°C entre eux.
Fahrenheit
- L'échelle de Fahrenheit, proposée par le physicien allemand Daniel Fahrenheit au 18e siècle, est principalement utilisée aux États-Unis.
- L'échelle est également basée sur les points de congélation (32°F) et d'ébullition (212°F) de l'eau, avec des incréments de 180 entre eux.
Kelvin (température absolue)
- L'échelle de température absolue utilise les points fixes du point triple de l'eau (273,16°K) et du zéro absolu (0°K) . Ces points ont été choisis parce qu'ils ne varient pas en fonction de la pression atmosphérique, contrairement aux échelles Celsius et Fahrenheit.
- Lors de la définition de l'échelle Kelvin, il a été décidé que chaque incrément serait égal à 1°C pour simplifier les comparaisons. C'est pourquoi il y a exactement 273,16°F entre les deux points fixes.
- Le kelvin est l'unité SI de température. Pour convertir les températures en Celsius et en kelvin, on peut utiliser la formule T(K)=T(C)+273,16.
- Les températures sur l'échelle kelvin sont toujours positives.
Le point triple de l'eau (ou d'autres substances) est la température et la pression auxquelles les trois phases de la matière (solide, liquide et gaz) peuvent coexister. Les différentes phases existent également en équilibre thermique, sans transfert net d'énergie thermique entre elles. Pour l'eau pure, le point triple est de 0,01°C à 611,2 Pa.
Transfert de chaleur
Maintenant que nous avons compris ce qu'est la température, nous pouvons explorer comment l'énergie thermique (la chaleur) est transférée entre les objets d'un système. Ce domaine de la physique est connu sous le nom de thermodynamique, qui traite des relations entre la chaleur, le travail, la température et l'énergie dans les systèmes.
Les lois de la thermodynamique
Nous avons déjà abordé la douzième loi de la thermodynamique, qui sert de base à la définition de la température. Explorons maintenant les autres lois de la thermodynamique.
La première loi de la thermodynamique
Q est utilisé pour représenter le changement d'énergie thermique dans la première loi de la thermodynamique, qui stipule :
Un changement dans l'énergie interne (ΔU) d'un système est composé de l'énergie thermique ajoutée au système (Q) plus tout gain net ou perte d'énergie via le travail effectué sur ou par le système (W).
\N- [\N-Delta U = Q -W\N]
Cela montre que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite.
La deuxième loi de la thermodynamique
La deuxième loi introduit la propriété de l'entropie, représentée par S.
Lorsque l'on permet à deux systèmes précédemment isolés d'interagir, ils finissent par atteindre un état d'équilibre thermique. L'entropie totale (S) du système combiné sera supérieure à la somme des deux systèmes isolés.
Une unité de chaleur transférée (δQ) est le produit de la température des systèmes (T) et de la variation de l'entropie totale (∂s).
\[\delta Q = T \cdot ∂ S\]
La troisième loi de la thermodynamique
La troisième loi stipule que, lorsque la température d'un système s'approche du zéro absolu et que toute l'énergie thermique est supprimée, le système atteint un état fondamental constant. La valeur de l'entropie à ce stade est connue sous le nom d' entropie résiduelle du système. Si le système n'a qu'un seul micro-état possible au zéro absolu, l'entropie résiduelle sera également nulle. La valeur constante de l'entropie résiduelle d'un système au zéro absolu augmente avec le nombre de micro-états possibles du système.
\[S = k_B \cdot \ln(\Omega)\]
Ici, S est l'entropie résiduelle du système, kB est la constante de Boltzmann et Ω est le nombre de microétats.
Un cristal pur est un exemple de matériau dont l'entropie résiduelle serait nulle, car il n'existe qu'une seule structure cristalline valide (microétat) que ses atomes peuvent adopter.
Énergie interne
Toutes les substances (solides, liquides ou gazeuses) ont une énergie interne (U), qui est la somme de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle des molécules qui les composent. Les niveaux d'énergie cinétique et potentielle de chaque molécule individuelle sont aléatoires (dans la gamme d'énergie contenue dans le système), mais nous pouvons comprendre ces propriétés de la substance plus large en utilisant les énergies moyennes de ses molécules.
L' énergie cinétique des molécules d'une substance est directement liée à sa température, tandis que leur énergie potentielle dépend de la phase de la substance. L'énergie potentielle est constituée d'énergie potentielle électrostatique. Les forces d'attraction entre les molécules sont "étirées" car la distance moyenne entre les molécules augmente lors du passage de l'état solide à l'état liquide, ou de l'état liquide à l'état gazeux. Cela augmente leur énergie potentielle électrostatique, tout comme l'augmentation de la distance entre un objet et la terre augmente son énergie potentielle gravitationnelle.
Le diagramme montre comment l'énergie est transférée dans une substance à un rythme constant. Lors des changements de phase, l'énergie cinétique de ses molécules (température) reste constante, tandis que l'énergie potentielle électrostatique augmente. En effet, pendant le changement de phase, l'énergie d'entrée est transférée à une augmentation du potentiel électrostatique, car la substance fond ou s'évapore et les forces entre les molécules changent.
En dehors des changements de phase, le potentiel électrostatique reste relativement constant et toute l'énergie d'entrée est convertie en énergie cinétique moléculaire, ce qui augmente la température de la substance. L'énergie interne totaleest la somme de ces deuxcomposantes et augmente au même rythme que l'énergie transférée dans la substance.
- Dans les solides, l'énergie potentielle électrostatique est un grand négatif, car les liaisons fortes entre les atomes ou les molécules nécessitent une énergie importante pour être rompues.
- Dans les liquides, les forces électrostatiques entre les molécules sont plus faibles, et le potentiel est donc moins négatif, car il faut moins d'énergie pour les briser.
- Dans les gaz, le potentiel électrostatique est proche de zéro, car les forces entre les molécules sont très faibles ou négligeables.
Chaleur latente
La contribution de l'énergie potentielle électrostatique à l'énergie interne totale crée une propriété connue sous le nom de chaleur latente spécifique d'une substance.
Lachaleur lat ente spécifique L est définie comme l'énergie nécessaire pour changer la phase d'une substance par unité de masse à une température constante.
\[L = \frac{E}{M}\]
Ici, E est l'énergie nécessaire au changement de phase, tandis que M est la masse de la substance.
Chaleur spécifique
Différentes substances nécessitent des quantités variables de transfert d'énergie thermique pour changer leur température d'une même quantité. L'eau est un exemple de substance ayant une capacité thermique spécifique élevée (pense au temps qu'il faut pour faire bouillir de l'eau pour une tasse de thé). C'est parce qu'une grande quantité d'énergie doit être transférée dans l'eau par la bouilloire pour augmenter sa température à 100°C. Le fer, et donc la plupart des aciers, est un exemple de faible capacité thermique spécifique (pense à la vitesse à laquelle une cuillère en acier se réchauffe dans la tasse de thé que tu viens de préparer).
La capacité thermique spécifique d'une substance se calcule comme suit :
Changement d'énergie = masse - capacité thermique spécifique - changement de température.
\[\Delta E = mc \Delta \theta\]
Ici, ΔE est le changement d'énergie interne, m est la masse de la substance, c est la capacité thermique spécifique et Δθ est le changement d'énergie thermique. La capacité thermique spécifique est donnée en unités de J⋅kg-1K-1.
Quelle quantité d'énergie est nécessaire pour faire bouillir de l'eau pour une tasse de thé ? En utilisant une bouilloire de 2000W, combien de temps cela prendrait-il pour faire bouillir l'eau ?
Quantité d'eau : 0,25 kg
Température de départ : 21°C
Capacité thermique spécifique de l'eau : 4200 J⋅kg-1K-1
En supposant que nous préparons du thé à une altitude proche du niveau de la mer, notre température d'ébullition cible est de 100°C. Par conséquent, le changement de température nécessaire est de 79°C.
Pour déterminer le changement d'énergie, nous effectuons maintenant une multiplication :
\(\Delta E = 0,25 \cdot 79 \cdot 4200 = 82950 J\).
La puissance nominale d'un appareil en watts nous indique combien de joules d'énergie par seconde il utilise. En considérant que la bouilloire a un rendement de 100 %, nous pouvons diviser pour trouver le temps qu'il lui a fallu pour bouillir :
\(t = \frac{82950}{2000} = 41.48 s\)
Les gaz idéaux
Il est relativement facile de décrire les propriétés macroscopiques, telles que la masse, la température ou la pression des gaz. Cependant, pour bien comprendre le comportement des gaz, nous devons également savoir ce qui se passe au niveau d'une particule individuelle. Le nombre d'atomes (ou de molécules) dans un volume de gaz est décrit à l'aide d'une unité appelée mole, l'unité SI pour la quantité de substance, qui indique le nombre d'atomes ou de molécules dans un échantillon donné d'une substance donnée.
Une mole d'une substance est une quantité qui contient autant d'entités élémentaires (atomes ou molécules) qu'il y a d'atomes dans 0,012 kg de carbone 12. Ce nombre d'entités est de 6,02⋅1023, également connu sous le nom de constante d'AvogadroNA.
La constante d'Avogadro peut être utilisée pour calculer le nombre d'atomes N dans n moles d'une substance :
\[N = n \cdot N_A\].
Un gaz idéal est une substance théorique dont les molécules occupent un espace négligeable et ne sont pas affectées par les interactions des forces électrostatiques. Ces propriétés signifient qu'il obéit exactement aux lois des gaz idéaux.
Physique thermique - Principaux enseignements
- La loi zéro de la thermodynamique stipule que si deux objets A et C sont indépendamment en équilibre thermique avec un troisième objet B, alors A et C sont également en équilibre l'un avec l'autre.
- Les échelles de température sont définies par deux points fixes à des températures spécifiques, avec un certain nombre d'incréments entre eux. L'échelle de température absolue utilise des unités de kelvin (°K) qui sont égales à Celsius (°C), 0°K étant le zéro absolu (-273,16°C).
- L'énergie interne d'une substance se compose de l'énergie cinétique moléculaire et de l'énergie potentielle électrostatique. Lors des changements de phase, la température et l'énergie cinétique moléculaire restent constantes tandis que le potentiel électrostatique augmente. Lorsque la température de chaque phase augmente, le potentiel électrostatique reste constant tandis que l'énergie cinétique moléculaire augmente.
- Les moles sont l'unité SI pour la quantité de substance qui indique le nombre d'atomes ou de molécules dans un échantillon donné d'une substance donnée.
- Un gaz idéal est une approximation d'un gaz réel avec certaines hypothèses qui permettent de modéliser son comportement à l'aide de l'équation des gaz idéaux.
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